基地台不夠力?5G NB-IoT通訊改連線衛星!

作者:陸向陽

 

眾所皆知的,NB-IoT是4G/LTE、5G的IoT通訊協定,直接運用已經廣泛佈建的基地台就可以實現各種IoT應用,例如家家戶戶的智慧電錶抄錶、智慧路燈所需的環境亮度感測,或地震感測、空氣品質感測等。

不過在新一輪的行動通訊技術標準會議中,業界已開始提議讓NB-IoT改與衛星通訊,稱為非地面存取網路(Non-Terrestrial Networks, NTN)、高海拔平台(High-Altitude Platform, HAP)。為何不持續使用地面基地台呢?以下本文將對此探討。

5G NB-IoT將使用上衛星通訊技術。(圖片來源:羅德史瓦茲) 

長途固接線路成本過高

以智慧抄錶應用來說,家家戶戶有個智慧電錶,電錶用NB-IoT協定把用電量傳遞給LTE基地台,再由基地台透過固接線路(銅線或光纖)傳回電力公司,而後寄出帳單,省去人工抄錶。

但這個設想是人口稠密區的作法,如果有一個很遠的偏鄉也需要抄錶,基地台設在偏鄉負責抄錶,基地台對應需要的固接線路也要牽佈非常遠,成本很高,且基地台在偏鄉的附帶使用機會(電話、上網等)不大,那線路的牽佈投資可能不合成本,或很久才能回本。

或者,如果是在人煙稀少的地區有長距離國界的偵防需要(他人不可越界),或只有佈建輸油管需要偵測管路壓力(避免油外洩,例如中亞輸油管,路經之處多是荒地),一樣是:牽佈了基地台對應需要的實體線路後,除了物聯網感測需求外幾乎沒有他用,長距離牽佈不合成本。

這時,就需要使用衛星通訊,每個NB-IoT的感測器節點(sensor node)不把資料傳給地面基地台,也不設立地面基地台,改把資料上傳到太空中的衛星,再由衛星轉傳資訊。

移動載具的需要

與前述類似的,如果鐵路運輸、貨車貨運經過的地方,經常是長時間、長距離荒地的,如此沿線佈建基地台,然後對應牽佈基地台需要的固接線路,其實也是使用率低、佈建成本高的。

這時候,只要在火車上、貨車上佈建NB-IoT感測器節點,然後直接把資訊上傳到太空中的衛星,透過衛星轉傳,一樣是比較合算的。類似的,如果是在貨船上,貨船多數時間在海上,根本沒有地面基地台可以支援,這時也只能把資料上傳到衛星,透過衛星轉傳,客機、貨機的情境也類似。Skylo公司的方案讓海上船隻也能用此衛星網路來傳送資訊,請參考影片:

更簡單說,其實現行3G、4G/LTE等的地面基地台覆蓋面積,其實只佔全球10%的面積,也就是人口稠密區,還有90%的面積沒有覆蓋到,這些地區都是人煙稀少的地區,人們只有少數時間會去(例如登山、探勘研究),但物聯網的感測裝置可能要長期設置在那些荒涼地區,例如在森林裡設置溫度感測器,以便第一時間知道森林大火發生,進而第一時間因應。

為了實現這90%的面積覆蓋,若也是用地面基地台去覆蓋,成本必然高昂,因此必須使用衛星,且以NB-IoT的需要,多過一般行動通訊的語音、數據(上網)需要。

不同的實現方法

有關與衛星連線通訊的新技術提案,估計只會用在5G版本的NB-IoT上,且實現方式會有很多種,一種是NB-IoT感測器節點直接把資料丟向太空中的衛星,衛星純扮演資料「反射鏡」的角色,把資料反射到另一個地面位置,而後再連接基地台,更之後連接核網系統。這個反射距離通常很遠,好取代長途牽佈的固接線路。

或者,是地面基地台將資料丟到空中的衛星,再透過衛星單純將資料反射回地面,而後連接核網系統。上述兩種作法大體不需要改動衛星太多,現行已發射上軌道的衛星即可實現,但後續也可能為此一應用發射新的衛星,衛星本身就帶有基地台功能,如此NB-IoT資料上傳到衛星,反射下來就直接連接地面核網系統了。

由於要把資料打到太空中的衛星,電波電量自然不可能像發給附近地面基地台那樣弱弱的即可,所以實際上NB-IoT節點也非小電力裝置,以Skylo公司的Skylo Hub而言就有可攜式電池12,000mAh,備用電池3,000mAh,發送訊號到太空時約20W電力,接收也要5W,待機狀態下是1W,資料傳輸量20kbps,且為雙向傳輸,另也支援定位能力,誤差約3公尺。

能以NB-IoT技術與衛星連線的Skylo Hub約為兩個便當盒大小。(圖片來源:Skylo官網)

此外衛星使用的波段跟一般地面5G也不同,例如L波段(1-2GHz)、S波段(2-4GHz)、C波段(4-8GHz)等,還有衛星是高軌衛星、低軌衛星等,也影響傳輸延遲性。一旦新提案列入正式標準,IoT網應用也將開拓至一個新境!

衛星使用的波段(圖片來源:ESA官網)

(責任編輯:歐敏銓)

陸向陽

Author: 陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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